Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Strukturen der Elemente durch Simulation vorhergesagt

22.06.2006
Wissenschaftler der ETH Zürich haben mit der systematische Erforschung des Verhaltens der Elemente unter hohem Druck begonnen - und Überraschendes entdeckt. Ihre Resultate publizieren sie nun im "Journal of Chemical Physics". Sie zeigen, dass die Strukturen von Wasserstoff und Sauerstoff mindestens bis zu einem Druck von 6 Mbar bzw 2.5 Mbar molekular bleiben. Ausserdem decken sie die seit langer Zeit gesuchten Strukturen von rotem und schwarzem Sauerstoff auf und weisen auf mehrere neue Formen von Kohlenstoff hin, die vermutlich einzigartige physikalische Eigenschaften aufweisen.

Das Verhalten der Elemente - und somit ihre chemischen Eigenschaften - verändert sich wesentlich unter Druck. Die üblicherweise inerten Elemente Platinum und Xenon werden sehr reaktiv, Kalium wird ein Übergangsmetall, während Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel zu Supraleitern werden. Hoher Druck ist deshalb ein Weg zu neuen Materialien mit exotischen Strukturen und Eigenschaften, anhand welcher das Verständnis der chemischen Bindung zwischen Atomen zu vertieft werden kann. Experimente bei hohem Druck sind jedoch sehr schwierig und erlauben oft nicht die Bestimmung der gesuchten Struktur. Artem R. Oganov und Colin W. Glass vom Laboratorium für Kristallographie der ETH Zürich wenden nun stattdessen eine von ihnen entwickelten Simulationsmethode namens USPEX an und untersuchen damit Elemente unter hohem Druck. Die Resultate dieser Studien veröffentlichen die ETH-Wissenschaftler im "Journal of Chemical Physics". Die verwendete Simulationsmethode vermag - ausgehend nur von der chemischen Zusammensetzung und basierend auf den Gesetzen der Quantenmechanik - die Struktur eines Materials unter gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen vorauszusagen.

Wasserstoff - komplexes Verhalten des einfachsten Elements

Wasserstoff ist das meistvertretene Element des Universums. Die Positionierung im Periodensystem ist jedoch unklar - es kann sowohl zu den Alkalimetallen als auch zu den Halogenen gesetzt werden. Die Metallisierung von Wasserstoff unter hohem Druck wird für die Erklärung der magnetischen Felder der Planeten Jupiter und Saturn herangezogen. Es wird vermutet, dass metallischer Wasserstoff bis hin zu Rekordtemperaturen (womöglich 300 ?C) ein Supraleiter ist. Die Struktur von Wasserstoff unter hohem Druck ist jedoch nicht bekannt. Weiter wird vermutet, dass bei 3.5 Mbar eine Transformation zu molekularem Metall und bei ~5 Mbar zu nichtmolekularem Metall stattfindet. Nun sagen Oganov und Glass voraus, dass der molekulare Zustand mindestens bis zu 6 Mbar erhalten bleibt. Im Vergleich dazu: Das chemisch viel stärker gebundene Stickstoffmolekül zerfällt bei dem viel geringeren Druck von ~0.5 Mbar. Dies rückt Wasserstoff näher zu den Halogenen als zu den Alkalimetallen.

... mehr zu:
»Physic »Supraleiter

Einzigartige Strukturen von rotem und schwarzem Sauerstoff gefunden

Unter Druck ändert sich der physikalische Zustand von Sauerstoff dramatisch - von hellblauem, metallischem Material wird es zuerst tiefrot und nichtmetallisch um danach, bei noch höherem Druck, zu einem schwarzen Supraleiter. Mit Hilfe ihrer neuen Methode USPEX haben die ETH-Wissenschaftler die einzigartigen Strukturen von rotem und schwarzem Sauerstoff identifiziert. Sauerstoff behält seine O2-Moleküle bei, es bilden sich jedoch schwache intermolekulare Bindungen, wodurch exotische Molekülketten und andere molekulare Zusammenschlüsse (z.B. Paare) zustande kommen.

Technologisch interessante Materialien

Kohlenstoff ist bekannt für die Vielseitigkeit seiner chemischen Verbindungen. Die Spannbreite von Eigenschaften verschiedener Strukturen von Kohlenstoff, z.B. Graphit, Diamant oder Fullerene, ist bemerkenswert. Nun gelang es den beiden ETH-Wissenschaftlern, mehrere neue Strukturen von Kohlenstoff voraus¬zusagen. Von speziellem Interesse sind zwei, die gewissermassen ein Hybrid zwischen Graphit- und Diamantstruktur sind, und deren physikalische Eigenschaften wohl einzigartig sind. Wie Fullerene bräuchten diese Strukturen spezielle Syntheseverfahren, könnten aber für technische Anwendungen von grossem Wert sein.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Juniausgabe des "Journal of Chemical Physics" publiziert: Oganov A.R., Glass C.W. (2006). Crystal structure prediction using evolutionary techniques: principles and applications. J. Chem. Phys. 124, Ausgabe 24.

Weitere Informationen:
Colin W. Glass
ETH Zürich
Laboratorium für Kristallographie
Telefon +41 (0)44 632 37 44
Mobile +41 (0)78 743 40 89
E-Mail colin.glass@mat.ethz.ch
Prof. Artem R. Oganov
ETH Zürich
Laboratorium für Kristallographie
Telefon +41 (0)44 632 37 52
E-Mail a.oganov@mat.ethz.ch

Petra Hieber | idw
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Berichte zu: Physic Supraleiter

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie